劉宇翔 楊 楠

（四川華油集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

燃?xì)夤艿朗浅擎?zhèn)建設(shè)發(fā)展中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)改善城鎮(zhèn)的大氣環(huán)境及污染問題等有著積極的影響。但是，燃?xì)夤艿缹?shí)際施工中，時(shí)常會(huì)與既有道路、既有管道或者其他既有建筑物相交，這時(shí)采取傳統(tǒng)的開挖技術(shù)進(jìn)行施工，難度很大，且會(huì)牽扯多方利益，甚至?xí)鸢踩鹿实取ｈb于此，非開挖定向穿越施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸廣泛應(yīng)用于燃?xì)夤艿朗┕ぶ校瑸榱顺浞职l(fā)揮出非開挖定向穿越施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有必要對(duì)其加強(qiáng)研究。

1 非開挖定向穿越施工技術(shù)概述

1.1 技術(shù)原理

非開挖定向穿越施工技術(shù)顧名思義就是不用在地面進(jìn)行開挖，而是利用水平定向鉆機(jī)沿著預(yù)定的方向進(jìn)行鉆進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)地下管道鋪設(shè)、修復(fù)及更換等施工技術(shù)。其中利用水平定向鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)鋪管是最為常用的施工方法，首先利用水平定向鉆在地面上鉆出一個(gè)導(dǎo)向孔，接著再換成擴(kuò)孔鉆頭實(shí)施反向擴(kuò)孔，再把所要鋪設(shè)的管道拉入擴(kuò)充好的鉆孔內(nèi)，擴(kuò)孔次數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)實(shí)施工的工作量及管道直徑大小來確定（具體施工示意圖見圖1）。

圖1 非開挖水平定向穿越施工方法示意圖

具體來說，非開挖定向穿越施工的技術(shù)原理就是通過鉆機(jī)提供鉆機(jī)動(dòng)力，再利用水平定向鉆機(jī)上的可操作、可控制鉆進(jìn)系統(tǒng)，根據(jù)施工要求進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)。導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中可以根據(jù)鉆桿的旋轉(zhuǎn)情況及一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的楔形鉆頭實(shí)現(xiàn)三維控制。同時(shí)鉆進(jìn)過程中，若需要改變鉆進(jìn)方向，則只需停止鉆桿旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)實(shí)際需要把楔形鉆頭的楔面固定到相應(yīng)位置上，再開啟鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)便能實(shí)現(xiàn)變向。地表的電磁接收設(shè)備可以通過接收探測(cè)儀傳回的信號(hào)來確定鉆頭位置及鉆進(jìn)傾斜角度等。鉆進(jìn)結(jié)束回拉鉆桿前，應(yīng)用錐形擴(kuò)孔器把楔形鉆頭換下來，然后進(jìn)行擴(kuò)孔并回拉管道[1]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.2.1 適用范圍較廣

非開挖定向穿越施工技術(shù)在粉土、黏土、砂土等各類地質(zhì)條件下應(yīng)用都能取得不錯(cuò)的施工效果；同時(shí)，也可以適用于管徑DN40～DN2000 的塑料管、鋼管及鑄鐵管等管材鋪設(shè)施工。

1.2.2 作業(yè)操作面小

非開挖定向穿越施工技術(shù)應(yīng)用過程中，只要挖一個(gè)適合作業(yè)的淺坑即可，且鉆孔施工只需在預(yù)先挖好的發(fā)射坑及接收坑之間進(jìn)行，整個(gè)施工過程都無須進(jìn)行過多開挖，對(duì)既有建筑物等破壞小。

1.2.3 施工周期較短

相對(duì)于傳統(tǒng)大開挖施工技術(shù)來說，應(yīng)用非開挖定向穿越技術(shù)通?？梢栽?0d～15d 完成管道施工，而應(yīng)用傳統(tǒng)的大開挖技術(shù)則通常要耗時(shí)2～3 個(gè)月，顯然非開挖定向穿越施工的周期要短很多。

1.2.4 無須大量施工人員，且安全性更高

應(yīng)用非開挖定向穿越施工技術(shù)時(shí)，通常需要幾名施工人員便可以完成相關(guān)工作，且施工作業(yè)基本都是使用機(jī)械鉆桿在地下工作，而施工人員只需在地面操作就可以，安全性更高。在大開挖施工中，會(huì)形成高切坡，安全系數(shù)比較低。再加上城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗┕さ陌踩灾苯雨P(guān)系著周圍居民生產(chǎn)生活，對(duì)安全性要求比較高，因此，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗┕け仨氁蟛扇∽顬榘踩行У募夹g(shù)措施。

1.3 施工工藝

1.3.1 前期準(zhǔn)備

進(jìn)行非開挖管道定向穿越施工前，要了解及調(diào)查清楚目標(biāo)施工區(qū)域的土壤類型、周邊自然環(huán)境及既有建筑物情況等，再根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙選擇合適的鉆頭及鉆進(jìn)路線，并編制現(xiàn)場(chǎng)施工方案，確定鉆機(jī)型號(hào)、鉆頭出入角度、擴(kuò)孔直接及管材型號(hào)等[2]。

1.3.2 導(dǎo)向鉆進(jìn)

通過鉆機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)定向鉆頭，并根據(jù)提前設(shè)定好的方向及路線旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，直至完成鉆孔施工。在該過程中，鉆頭的信號(hào)棒會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)出信號(hào)，并被地面的信號(hào)接收設(shè)備接收到，以此來確定鉆頭的深度及角度等情況，便于施工操作人員根據(jù)實(shí)際情況來操控或調(diào)整鉆頭方向，確保導(dǎo)向鉆進(jìn)施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

1.3.3 分級(jí)擴(kuò)孔

做完導(dǎo)向孔施工之后，要及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行分級(jí)擴(kuò)孔，直到鉆孔直徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求。然后把配置好的鉆液注入鉆孔內(nèi)，避免孔洞塌方，并把石屑等清理出去，為后續(xù)管道回拉施工奠定基礎(chǔ)。

1.3.4 回拉管道

做完擴(kuò)孔工作后，把管道和回拉頭、錐形擴(kuò)孔器及鉆桿牢固連接到一起，再把管道拉進(jìn)孔洞中完成鋪設(shè)。

2 實(shí)例分析

某燃?xì)夤艿朗┕ろ?xiàng)目施工長(zhǎng)度共計(jì)約1.9km，經(jīng)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)后得知，擬建區(qū)域的土層屬中軟土，覆蓋層厚度大于3.0m，場(chǎng)地類別為Ⅱ類建筑場(chǎng)地，且有河流經(jīng)過，穿越斷面分布地層土石工程分級(jí)如下：人工填土（Q4ml）為Ⅱ級(jí)；粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）（可塑）為Ⅱ級(jí)；卵石（Q4al+pl）（松散）為Ⅱ級(jí)；泥巖（強(qiáng)風(fēng)化）為Ⅳ級(jí)，為典型的卵石地質(zhì)層。同時(shí)，該區(qū)域也埋有電纜管道，埋設(shè)深度變化不大，但是埋的比較淺，基本都在1m～2m，燃?xì)夤艿罃M分布于其下方，埋設(shè)深度2.5m～2.7m。另外，擬建區(qū)域交通線比較密集。為確定最終的施工方案，對(duì)開挖方式及非開挖定向穿越方式進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表1 和表2。綜合上述情況，且為了減少不必要的影響，最終選定非開挖定向穿越施工方式進(jìn)行施工，施工用的管材為φ160mm、壁厚15mm、PE100 級(jí)的HDPE 燃?xì)夤艿?，定向穿越每段?50mm 管道的長(zhǎng)度為200m～300m。

表1 燃?xì)夤艿朗┕し桨笇?duì)比

表2 施工費(fèi)用對(duì)比

3 非開挖定向穿越施工

3.1 施工準(zhǔn)備

在正式非開挖定向穿越施工前，須結(jié)合燃?xì)夤懿暮椭睆降惹闆r，明確燃?xì)夤艿赖淖畲笤试S彎曲角度；再根據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)埋深及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，確定最優(yōu)施工路線，確保管道施工長(zhǎng)度最短；再滿足施工需要調(diào)配的各種施工機(jī)具及材料的要求。另外，在現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，利用導(dǎo)向儀等測(cè)量并確定燃?xì)夤艿朗┕さ闹行木€和觀測(cè)點(diǎn)。

3.2 操作坑開挖

根據(jù)圖紙中設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿乐睆健⒙裆詈褪┕らL(zhǎng)度等相關(guān)要求，明確燃?xì)夤艿缹?shí)際鉆入點(diǎn)位置，并畫好標(biāo)識(shí)。然后設(shè)計(jì)井位并開挖入管工作井和出鉆工作井，工作井的深度以滿足燃?xì)夤艿缆裆罴肮艿朗┕闇?zhǔn)。

3.3 鉆機(jī)就位和調(diào)試

按照施工設(shè)計(jì)圖紙和施工規(guī)范要求，把鉆進(jìn)和配套設(shè)備安裝到制定位置上，并按管道軸線方向把鉆機(jī)方向調(diào)好，使兩者方向保持一致，左右誤差在30mm 內(nèi)。安好鉆機(jī)之后，進(jìn)行試運(yùn)行，檢測(cè)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)出入土角把鉆頭調(diào)好，有問題及時(shí)處理，確保鉆機(jī)性能[3]。

3.4 泥漿配制

泥漿是影響非開挖定向穿越施工質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，非開挖定向穿越施工中要合理配制泥漿，且要根據(jù)地質(zhì)土層的變化及時(shí)調(diào)整，可以適當(dāng)?shù)靥砑犹砑觿?，確保泥漿的動(dòng)、靜切力、失水和潤(rùn)滑等性能都滿足施工要求。該項(xiàng)目中泥漿基漿配比如下：5%～8%預(yù)水化膨潤(rùn)土+堿（Na2CO3）進(jìn)行攪拌后水化制成，根據(jù)水質(zhì)情況來確定實(shí)際的用堿量。

3.5 鉆孔導(dǎo)向

導(dǎo)向軌跡的設(shè)計(jì)如下。當(dāng)公稱直徑Dn＜75mm 時(shí)，鉆桿半徑R≥75m、塑料管半徑R=400D～2500D且R≥75m。因此，塑料管的入土曲率半徑的計(jì)算如下。

R1=500D=500×0.20=100m式中：D為管道內(nèi)徑。

出土曲率半徑的計(jì)算如下。

R2=600D=500×0.20=120m

經(jīng)計(jì)算，符合鉆桿曲率半徑的設(shè)計(jì)要求。

深度為h1，長(zhǎng)度L1、L2、入土角度a1及出土角度a2計(jì)算如下。

路面長(zhǎng)度為：L=L1+L2+L3，導(dǎo)向鉆進(jìn)施工軌跡見下圖2所示。

圖2 導(dǎo)向鉆進(jìn)施工軌跡示意圖

鉆頭鉆進(jìn)入土的角度是12.84°，并采用φ200 的牙輪式擴(kuò)孔器進(jìn)行導(dǎo)向孔施工（如圖3 所示）。鉆進(jìn)施工的整個(gè)過程中，要按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度及方向，確保導(dǎo)向孔質(zhì)量。

圖3 導(dǎo)向孔施工示意圖

燃?xì)夤艿蓝ㄏ虼┰绞┕?duì)方向精度要求高，因此在鉆進(jìn)施工中每鉆進(jìn)1 根鉆桿便設(shè)置1 個(gè)明顯的標(biāo)記，并且對(duì)鉆桿的鉆進(jìn)方向探測(cè)最少2 次，以確保方向正確。如果鉆進(jìn)方向出現(xiàn)偏移，則須抽出1～2 根鉆桿，并調(diào)整好導(dǎo)向鉆頭方向重新進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)軌跡要和燃?xì)夤艿垒S線一致無偏移，避免“S”彎。同時(shí)，要清楚記錄好鉆進(jìn)施工期間的扭矩、推力、泥漿流量及壓力、方向誤差等數(shù)據(jù)信息，以便控制鉆進(jìn)施工質(zhì)量[4]。做完導(dǎo)向孔施工后，根據(jù)鉆孔軌跡及記錄的數(shù)據(jù)信息判斷該導(dǎo)向孔是否合格。并嚴(yán)格控制軸線左右偏離距離＜1%鉆進(jìn)長(zhǎng)度，控制深度誤差＜0.5%鉆進(jìn)長(zhǎng)度，控制出土位置偏差＜1m。

3.6 分級(jí)反擴(kuò)成孔

做完導(dǎo)向孔施工之后，應(yīng)及時(shí)將鉆頭卸下，并安上回?cái)U(kuò)器實(shí)施分級(jí)回?cái)U(kuò)施工（如圖4 所示）。該項(xiàng)目的管材為φ160mm 的HDPE 管道，采取φ300mm 的曲輪式擴(kuò)孔器按1.2～1.5 倍管道直徑進(jìn)行分級(jí)反拉旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔作業(yè)。擴(kuò)孔施工過程中，要結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告和導(dǎo)向鉆進(jìn)的實(shí)際情況來嚴(yán)格控制地層軟硬交替位置的施工速度及泥漿壓力，且應(yīng)嚴(yán)格控制擴(kuò)孔質(zhì)量，防止因擴(kuò)孔而引起路面隆起或下沉等問題[5]。

圖4 分機(jī)反擴(kuò)成孔示意圖

3.7 管道回拖

用φ300mm 的曲輪式擴(kuò)孔器做完擴(kuò)孔工作后，送泥漿沖洗，且檢查泥漿噴嘴正常之后，便開始管道回拖施工。首先，通過燃?xì)夤艿蓝祟^提前焊設(shè)的拖管頭把擴(kuò)孔鉆頭和萬向節(jié)牢固連到一起。然后，啟動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行管道回拖施工。回拖過程中要把燃?xì)夤艿婪诺捷喬ド?，并往輪胎上涂一層黃油，每隔12m 便設(shè)置一個(gè)輪胎，這樣既能減小回拖施工的阻力，又能有效保護(hù)燃?xì)夤艿婪栏瘜硬槐黄茐模ü艿阑赝先鐖D5 所示）。實(shí)時(shí)記錄好管道回拖的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并在管道回拖完成之后，及時(shí)用挖掘機(jī)把管道的前端和擴(kuò)孔器等設(shè)備挖出來，然后把擴(kuò)孔器拆掉。

圖5 管道回拖示意圖

3.8 管道連接

做完管道回拖施工后，及時(shí)開展試壓工作，檢查管道有無泄漏等不合格情況。待合格后再跟相鄰管道進(jìn)行連接施工，連接施工要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，安排專業(yè)的技術(shù)人員按照“布管→組對(duì)→實(shí)施焊接”的流程進(jìn)行熱熔對(duì)接焊接，以確保質(zhì)量。

3.9 工程事故及應(yīng)急措施

非開挖定向鉆機(jī)施工基本都是地下機(jī)械施工，雖然施工效率高、操作簡(jiǎn)便，但是地下環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)見因素較多，所以也可能出現(xiàn)一些問題或事故。鑒于此，項(xiàng)目部應(yīng)提前制定應(yīng)急方案，以便發(fā)生事故后可以及時(shí)處理，且必要的情況下，也應(yīng)上報(bào)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位及監(jiān)理單位等，召開轉(zhuǎn)角討論會(huì)，及時(shí)制定針對(duì)性補(bǔ)救方案[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，非開挖定向穿越施工技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦こ讨袘?yīng)用較廣，尤其是在交通繁忙、人流量較大的施工環(huán)境中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要充分調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及地質(zhì)條件等情況，并編制合適的非開挖定向穿越施工方案，嚴(yán)格落實(shí)每項(xiàng)施工，保證燃?xì)夤艿朗┕ぐ踩?、穩(wěn)定、高效完工，為城鎮(zhèn)社會(huì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障。